Цифровой измеритель температуры Советский патент 1982 года по МПК G01K7/14 

(5) ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ

1 Изобретение относится к температу ным измерениям и может быть использо вано при построении цифровых термометров с автоматической компенсацией термо-ЭДС свободных концов термоэле трического термометра. Известны способы и устройства для компенсации изменения термо-ЭДС термоэлектрического термометра при изме нении температуры его свободных концов, например, путем учета поправки на температуру свободных концов или путем термостатирования свободных концов с применением пассивных или активных термостатов и удлиняющих те моэлектродных проводов 1J и f2. Однако этим техническим решениям присущи существенные недостатки, заключающиеся в том, что при учете поправки к результату измерения необхо димо измерять температуру свободных концов и, пользуясь градуировочной характеристикой термоэлектрического термометра, расчетным путем корректировать результат измерения. Такой способ трудно поддается автоматизации и требует измерения температуры свободных концов. При стабилизации температуры свободных концов необходимо применять пассивные термостаты, например сосуды Дьюара, наполненные тающим льдом (если поддерживать &съ ) или кипятильники (если поддерживать все ). Применение пассивных термостатов оправдано в лабораторных условиях, но сопряжено с большими трудностями и неудобствами при их эксплуатации в прогшшленных условиях. Пассивные термостаты на 8(, отличающиеся от О tли 100 С обладают низкой трччостью. Применение активных термостатов предполагает разработку специальных устройств с автоматическим поддержанием температуры, а при высокой точности стабилизации эти устройства 39 значительно усложняются и удорожаются. При этом в процессе эксплуатации они не всегда удобны. Применение термостатов предполагает использование удлиняющих термоэлектрических проводов, так как необходимо удалить свободные концы от объекта измерения. Для достижения достаточно высокой точности измерений необходимо, чтобы термоэлектродные провода были изготовлены из того же материала, что и термоэлектроды термоэлектрического термометра .(ТТ) . Поэтому для ТТ из благородных металлов это не экономично, так как необходимо большое количество дефицитных и дорогостоящих материалов. Применение других материалов не дает возможности получить градуировочные характеристики удлиняющих проводов идентичные градуировочной характерис тике ТТ, что приводит к возникновению значительных погрешностей измерения. Известны также устройства типа КТ для автоматической компенсации изменения термо-ЭДС ТТ, представляющие собой равноплечий мост, три плеча в котором выполнены из манганиновой проволоки, а четвертое - из медной. Мост питается от источника ст билизи рованного напряжения и выходом включается в разрыв; между выходом ТТ и входом вторичного измерительного прибора ГЗЗОднако включение компенсационного устройства на входе прибора значительно ухудшает помехоустойчивост измерения, и кроме того, различные модификации КТ обладают низкой точностью. Погрешность компенсации изме нения термо-ЭДС в диапазоне изменения температуры свободных концов 050°С ниже +3°С. Известно устройство, в котором с целью компенсации нелинейности градуировочной характеристики ТТ в диапазоне изменения температуры свобод ных концов в цепь питания компенсационного моста типа КТ включается делитель напряжения, одно плечо ко.торого образовано дополнительным тер морезистором, что позволяет повысить точность по сравнению с серийновыпус каемыми КТ С 3. Однако это устройство предполагает применение дополнительного терморезистора. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является устройство для измерения температуры или других физических величин, содержащее датчик, например термоэлектрический термометр подключенный выходом к входу усилителя, выход которого через один из входов ключа связан с входом интегратора, соединенного через другой вход ключа с источником опорного напряжения, а выход интегратора подключен к входу нуль-органа. Последний выходом подключен к одному из входов селектора, к другому входу которого подключен выход генератора тактовых импульсов, выход селектора связан с входом цифровой схемь линиаризации, соединенной своим выходом со входом цифрового отсчетного устройства, а также блок управления ГЗ. Однако это устройство при работе с термоэлектрическими термометрами имеет недостаточно высокую точность измерения температуры из-за влияния на результат измерения изменений температуры свободных концов термоэлектрического термометра. Кроме того, в известном устройстве нэ результат измерения влияет нестабильность порогосрабатывания нуль-органа, что требует для повышения точности измерения применять более сложные и дорогостоящие компараторы. Целью изобретения, является повышение точности измерения температуры. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения температуры, содержащее термоэлектрический термометр, усилитель, ключ, интегратор, нуль-орган, источник опорного напряжения, селектор, генератор тактовых импульсов, схему цифровой линеаризации, цифровое отсчетное устройство, а также терморезистор, преобразователь сопротивления в напряжение и блок управления, дополнительно введе-. ны вторая схема цифровой линеаризации, реверсивный счетчик импульсов и второй ключ, соединенный своими двумя входами соответственно с другим термоэлектродом термоэлектрического термометра и выходом преобразователя сопротивления в напряжение, а выход второго ключа подключен к другому входу усилителя, причем второй выход селектора соединен с входом второй схемы : цифровой линеаризации, выходы которой подключены к вычитающему и суммирующему входам реверсивного сметчика им пульсов, соединенного своим выходом другим сигнальным входом блока управ ления, дополнительные выходы которог связаны с управляющими входами второ го ключа и второй схемы цифровой линеаризации. На фиг. 1 приведена схема устройс ва для измерения температуры; на фиг. 2 - временная диаграмма его работы. Устройство для измерения температ ры содержит термоэлектрический т.ермометр 1,. соединенный своими термоэлектродами .соответственно с первым входом второго ключа 2 и одним из входов усилителя. 3. другой вход которого связан с выходом второго ключа 2. а выход усилителя подключен к одному из входов первого ключа , со единенного своим выходом через интег ратор 5 и один из выходов нуль-органа 6 к orfPloMy из входов селектора 9, к другому входу которого подключе свыход генератора 8 тактовых импульсов, причем другой вход первого ключа соединен с выходом источника 7 опорного напряжения. Цифровое отсчет ное устройство 10 связано входом с выходом первой схемы 11 цифровой линеаризации, соединенной входом с одним из выходов селектора 9) Другой выход которого подключен к входу вто рой схемы 12 цифровой линеаризации, а выходы последней связаны с входами реверсивного счетчика 13 импульсов. Терморезистор 1 четырехпроводной линией связи подключен к входу преобразователя 15 сопротивления в напряжение, связанного выходом с вторым входом второго ключа 2, а управляющие входы второго ключа 2, пер вого ключа 4, селектора 9 и второй схемы 12 цифровой линеаризации соеди нены с соответствующими выходами блока 16 управления, причем сигнальные входы последнего связаны соответ ственно с другим выходом нуль-органа 6 и реверсивного счетчика 13 импульсов. Устройство работает следующим образом. При включении устройства сигналы с блока 16 управления открывают второй ключ 2 по второму входу, подключая выход преобразователя 15 сопротивления в напряжение к входу усилителя 3f а первый ключ k открывают по вому входу, подключая выход усиеля 3 к входу интегратора 5- Осьные узлы устройства приводятся в одное состояние. Селектор 9 зат. При этом на вход интегратора 5 попает напряжение, равное всв ( - коэффициент усиления усилителя 3; Up - напряжение на выходе образователя 15 сопротивления в напряжение, значение которого равно вгй П- , К - коэффициент преобразования преобразователя 15 сопрог тивления в напряжение; 4RQ -приращение сопротивления терморезистора Т с изменением температуры RO - сопротивление терморезистора li при 0°С; cL - температурный коэффициент сопротивления терморезистора U; а - температура свободных концов термоэлектрического термометра 1, поскольку терморезистор 1А размещается в непосредственной близости от свободных концов термоэлектрического термометра 1 и, таким образом, находится при той же температуре 6,, что и свободные концы. Начальное смещение t o neHсируется любым известным способом в преобразователе 15 сопротивления в напряже- , ние, Напряжение Ц интегрируется интегором 5 (фиг. 2) в течение интервавремени Т, длительность которого ирается равной периоду напряжения питания устройства и задается ком 16 управления, В конце интервала Т на выходе инратора возникает напряжение ,KyUg ,т, (4) v%wD где К.. (Т - постоянная времени интегратора 5) После окончания интервала Т си|- налы с блока 16 управления закрываю первый ключ Ц по первому входу и от крывают по второму входу, подключая выход источника 7 опорного напряжения к входу интегратора 5, селектор 9 открывают для прохождения импульсов с генератора 8 тактовых импульс на вход второй схемы 12 цифровой ли неаризации , а выход последней подключают к вычитающему входу реверси ного счетчика 13. Напряжение UQ с выхода источника 7 опорного напряжения интегрируется в течение интервала времени t (фиг. 2) до момента, пока интегратор 5 не возвратится в исходное состояние, т. е. пока не выполнится равенство ««0. Интервал времени ц определяют, приравнивая («) и (5), откуда (6) в течение интервала Ц на вычита ющий вход реверсивного счетчика 13 импульсов поступает кояичеств о импульсов 1 -1 где - частота импульсов Кце-fпоступающих с выхода второй схемы 12 цифровой линеаризации;(кце Функциональный коэффициент преобразования второй схемы 12 цифровой линеаризации; fjj - частота импульсов генератора 8 тактовых импульсов. Таким образом, в конце интервала t в реверсивном счетчике 13 импульсов зафиксируется код числа N. Момент окончания интервала t фик сируется нуль-органом 6, по выходном сигналу которого блок 16 управления своими сигналами закрывает второй ключ 2 по второму входу и открывает его по первому входу, подключая к входу усилителя 3 термоэлектрический термометр 1, а первый ключ k закрывает по второму входу, открывая его по первому входу, подключая вы918 ход усилителя 3 к входу интегратора 5- Селектор 9 при этом закрывается. На вход интегратора поступает усиленная усилителем 3 выходная термо-ЭДС, термоэлектрического термометра 1, значение которой равно Uj К,,Е(ех,9св). (8) где Е(в),в(в) - выходная термо-ЭДС, термоэлектрического термометра 1; 0 - измеряемая температура;9jjg- температура свободных концов. Значение Е(вх,в(х9) можно представить в таком виде Е(бл,0св) Х ) -дЕ(0°С ,в, ) (вх.(0%бев)Л10) где Е(в;{, 0°С) - термо-ЭДС термоэлек. трического термомет- ра 1 при температуре свободных концов 0°С и соответствующая .значениям, при которых градуирован прибор;дЕ() - поправка к термо-ЭДС ермоэлектрического термометра 1 при тличии температуры свободных концов все от 0°С, примем 0х и ®св (что в больитнс1Ве случаев имеет место при эксплуатации прибора) . При этих условиях всегда Е(вх, ®Св )х ) и всегда выполняются соотношения (9) и (10). Напряжение иj инterpиpyeтcя интегратором 5 (как и в предыдущем случае и) в течение интервала времени Т,, длительность которого задается блоком 16управления. В конце интервала Т на выходе интегратора возникает напряжение Т Т «HV JU3di-V E(0,,0,)T или с учетом (9) ,П0х°)Г -К„КуЕ(,0,)ТН После окончания интервала Т сигналы с блока 16 управления закрывают пер93tвый ключ k па первому входу и открывают его по второму входу, подключая выход источника 7 опорного напряжения к входу интегратора, а селектор 9 открывают для прохождения импульсов от генератора 8 тактовых импульсов на вход первой схемы 11 цифровой линеаризации . Напряжение U, с выхода источника 7 опорного напряжения интегрируется в течение интервала времени t до момента возвращения интегратора 5 в исходное состояние, т. е. пока не выполнится равенство. 1 ,dt О Момент окончания интервала tij фиксируется нуль-органом 6, по выходному сигналу которого блок 16 управления своим сигналом открывает селектор 9 дляПрохождения импульсов от генератора 8 тактовых импульсов на вход второй схемы 12 цифровой линеаризации не отключая первой схемы 11 цифровой линеаризации, а выход второй схекш 12 цифровой линеаризации подключают к суммирующему входу реверсивного счетчика 13. В момент окончания интервала dt, когда на суммирующий вход реверсивного счетчика поступит Н импульсов частотой f0 , реверсивный счетчик перейдет в нулевое состояние и по его выходному сигналу блок 16 управления закроет селектор 9- прекращая поступление импульсов на входы первой и второй схем Цифровой линеаризации, а все остальные узлы устройства переводятся в исходное состояние. При этом на вход цифрового отсчетного устройства 10 поступает N импуль сов с выхода первой схемы 11 цифровой линеаризации и результат измерения индуцируется на цифровом табло цифрового отсчетного устройства 10. Таким образом, результат измерения равен где f(«/ - частота импульсов, поступающих с выхода первой схемы 1 1 цифровой линеаризации ( функциональный коэффициент преобразования первой схемы 11 цифровой линеа- ризации) tn - длительность второго такта ин тегрирования; (12) At - интервал времени от момента срабатывания нуль-органа до момента перехода реверсивного счетчика импульсов в нулевое состояние. Интервал времени t определяют, приравнивая (11) и (12) )T (ех.ОС) V и„ и„ VE(ooc,ee) () . а интервал времени At определяют, приравнивая количество импульсов, поступивших на вычитающий и суммирующий входы реверсивного счетчика, т. е. К f- ce M- O-ц--ц. де Кц „- л(х:тоянный коэффициент пребразования второй схемы цифровой инеаризации при прохождении импульов на сукйнируящий вход реверсивного четчика. Откуда с т (45) Подставляя (1) и (15) в уравнение (13), получают КубЕ(0С.всв) О ал Обеспечивая равенство . t ЧТО не трудно осуществить путем функциональногО изменения коэффициента преобразования 1с ц, ij второй схемы 12 цифровой линеаризации, исходя из заданной градуировочной характеристики ) термоэлектрического термометра, получают ч. Е(вх,ООС) Обеспечив (0х. 0) К б путем. функционального изменения коэффициента преобразования К „первой схемы П цифровой линеаризации, исходя из заданной градуировочной характеристики Е(0;(, ) термоэлектрического термометра, получают результат измерения N, независящий от изменений температуры свободных концов , т.е. N К 9х где К - постоянный коэффициU(j ент аналого-цифрового преобразования устройства. Таким образом, за счет дополнитель ного введения в устройство для измерения температуры второго ключа, второй схемы цифровой линеаризации, реверсивного счетчика и соответствующих связей значительно повышена точность измерения температуры, поскольку авто матическая компенсация изменений термо-ЭДС термоэлектрического термометра, вызванных изменениями температуры его свободных концов, осуществляет ся в цифровой форме после аналого-циф ровых преобразований, а поэтому не требует, как в известных устройствах формирования на входе устройства низких уровней компенсирующих напряжений что снижает точность и помехоустойчи вость измерений. Кроме того, в предлагаемом устрой стве значительно снижены требования стабильности порога срабатывания нул органа, поскольку в результате операции вычитания влияние нестабильности порога срабатывания нуль-органа приходится только на один цикл преобразования, что нетрубно осуществить, применяя простые и недорогостоящие компараторы. Формула изобретения Цифровой измеритель температуры, содержащий термоэлектрический термометр, соединенный одним термоэлектродом с одним из входов усилителя, выход которого подключен к первому входу ключа, соединенного своим выходом через интегратор и один из выходов нуль-органа с одним из входов селектора, другой вход которого свя9112 зан с выходом генератора тактовых импульсов, авыход соединен с входом первой схемы цифровой линеаризации, подключенной выходом к входу цифрового отсчетного устройства, терморезистор, подсоединенный по четырехпроводной линии связи к входу преобразователя сопротивления а напряжение, и блок управления, выходы которого связаны с управляющими входами ключа и селектора, один из сигнальных входов подключен к другому выходу нульоргана, источник опорного напряжения соединенный с вторым входом ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры, в него введены вторая схема цифровой линеаризации, реверсивный счетчик импульсов и второй ключ, соединенный своими двумя входами соответственно с другим термоэлектродом термоэлектрического термометра и выходом преобразователя сопротивления в напряжение, а выход второго ключа подключен к.другому входу усилителя, при этом второй выход селектора соединен с входом второй схемы цифровой линеаризации, выходы которой подключены к вычитающему и суммирующему входам реверсивного счетчика импульсов, соединенного своим выходом с другим сигнальным входом блока управления, дополнительные выходы которого связаны с управляющими входами второго ключа и второй схемы цифровой линеаризации. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М., Энергия, 1978, с. 952.Там же, с. 116-119. 3.Там же, с. 185Ц, Авторское свидетельство СССР № , кл. G 01 К 7/12, 197. 5. Коолатай, Харконен. Цифровая линеаризация результатов измерения. Электроника, 1978, № 15, с. 26-37 (прототип).

Фиг.1

Ui

инт